设计模式学习笔记 - 开源实战三（下）：借助Google Guava学习三大编程范式中的函数式编程

概述

现在主流的编程范式主要有三种，面向过程、面向对象和函数式编程。在理论部分，已经介绍了前面两种编程范式。本章再讲讲剩下的编程范式，函数式编程。

函数式编程并非是一个很新的东西，早在 50 年前就已经出现。近几年，函数式编程越来越被人关注，出现了很多新的函数式编程语言，比如 Clogure、Scala、Erlang 等。一些函数式编程语言也加入了很多特性、语法、类库类支持函数式编程，比如 Java、Python、Ruby、JavaScript 等。此外，Google Guava 也有对函数式编程的增强功能。

函数式编程因其编程的特性，仅在科学计算、数据处理、统计分析等领域，才能更好地发挥它的优势，所以个人觉得，它并不能完全替代更加通用的面向对象编程范式。但是，作为一种补充，它也有很大存在、发展和学习的意义。

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到底什么是函数式编程？

函数式编程的英文是 Functional Programming。那到底什么是函数式编程呢？

函数式编程也没有一个严格的官方定义，所以，接下来就从特性上告诉你，什么是函数式编程。

严格来讲，函数式编程中的 “函数”，并不是指我们编程语言中的 “函数” 概念，而是指数学 “函数” 或者 “表达式”（比如，y=f(x)）。不过，在编程实现时，对于数学 “函数” 或者 “表达式”，一般习惯性地将它们设计成函数。所以，如果不深究的话，函数式编程中的 “函数” 也可以理解为编程语言中的 “函数”。

每个编程范式都有自己独特的地方，这就是它们会被抽象出来作为一种范式的原因。面向对象编程的最大特点是：以类、对象作为组织代码的单元以及它的四大特性。面向过程编程语言的最大特点是：以函数作为组织代码的单元，数据与方法相分离。

函数式编程最独特的地方在于它的编程思想。函数式编程任务，程序可以用一系列数学函数或表达式的组合来表示。函数式编程是程序面向数学的更底层抽象，将计算过程描述为表达式。不过，这样说你肯定会有疑问，真的可以把任何程序都表示成一组数学表达式吗？

理论上是可以的。但是，并不是所有的程序都适合这么做。函数式编程有它自己适合的应用场景，比如开篇提到的科学计算、数据处理、数据处理、统计分析等。在这些领域，程序往往容易使用数学表达式来表示，比起非函数式编程，实现同样的功能，函数式编程可以 用很少的代码就能搞定。但是，对于强业务相关的大型业务系统开发来说，耗费精力地将它抽象成数学表达式，硬要用函数式编程来实现，显然是自讨苦吃。相反，在这种应用场景下，面向对象编程更加合适，写出来的代码更加可读、可维护。

刚刚讲的是函数式编程的编程思想，如果落实到编程实现，函数式编程跟面向过程编程一样，也是以函数作为组织代码的单元。不过，它跟面向过程编程的区别在于，它的函数是无状态的。

何为无状态？简单地讲，函数内部涉及的变量都是局部变量，不会像面向对象编程那样，共享类成员变量，也不会像面向过程编程那样，共享全局变量。函数的执行结果只与入参有关，跟其他任何外部变量无关。同样的入参，不管怎么执行，得到的结果是一样的。这实际上就是数学表达式或数学函数的基本要求。下面举个简单的例子来解释下：

// 有状态函数：执行结果依赖b的值是多少，即便入参相同，多次执行函数，函数的返回值有可能不同，因为b值有可能不同
int b
int increase(int a) {
	return a + b;
}

// 无状态函数：执行结果不依赖任何外部变量，只要入参相同，不管执行多少次，函数的返回值就相同
int increase(int a, int b) {
	return a + b;
}
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不同的编程范式之间并不是截然不同的，总有一些相同的编程规则。比如，不管是面向过程、面向对象还是函数式编程，它们都有变量、函数的概念，最顶层都要有 main 函数执行入口，来组装编程单元（类、函数等）。只不过，面向对象的编程单元是类或对象，面向过程的编程单元室函数，函数式编程的编程单元是无状态函数。

Java 对函数式编程的支持

前面章节讲过，实现面向对象编程不一定非得使用面向对象编程语言。同理，实现函数式编程也不一定非得使用函数式编程语言。现在，很多面向对象编程语言，也提供了相应的语法、类库来支持函数式编程。

接下来，看下 Java 这种面向对象编程语言，对函数式编程的支持，加深一下你对函数式编程的理解。下面是一段非常典型地 Java 函数式编程的代码。

public class FPDemo {
    public static void main(String[] args) {
        Optional<Integer> result = Stream.of("f", "a", "hello")
                .map(s -> s.length())
                .filter(l -> l <= 3)
                .max((o1, o2) -> o1 - o2);
        System.out.println(result.get()); // 输出2
    }
}
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这段代码的作用是从一组字符串数组中，过滤出长度小于等于 3 的字符串，并且求得这其中的最大长度。

如果你不了解 Java 函数式编程的语法，看了上面的代码或许会有些懵，主要的原因是 Java 为函数式编程引入了三个新的语法概念：Stream 类、Lambda 表达式和函数接口（Function Interface）。

• Stream 类用来支持通过 “.” 级联多个函数操作的代码编写方式；
• 引入 Lambda 表达式的作用是简化代码编写；
• 函数接口的作用是可以把函数包裹成函数接口，来实现把函数当做参数一样来使用（Java 不像 C 一样支持函数指针，可以把函数当做参数来使用）。

首先，看下 Stream 类

假设要计算这样一个表达式：(3-1)*2 + 5。如果按照普通的函数调用方式写出来，就是下面这个样子：

add(multiply(subtract(3, 1), 2), 5);
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这样看起来，代码会比较难理解，换个更易懂的写法：

subtract(3, 1).multiply(2).add(5);
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在 Java 中， “.” 用来表示某个对象的方法。为了支持上面这种级联调用方式，我们让每个函数都返回一个通用的类 型：Stream 类对象。在 Stream 类上的操作有两种：中间操作和终止操作。中间操作仍返回 Stream 类对象，而终止操作返回的是确定的值结果。

再看下前面的例子。我们对代码做了注释解释，如下所示。其中，map、filter 是中间操作，返回 Stream 类对象，可以继续级联其他操作；max 是终止操作，返回的不是 Stream 类对象，无法继续往下级联处理了。

public class FPDemo {
    public static void main(String[] args) {
        Optional<Integer> result = Stream.of("f", "a", "hello") // of返回Stream<String>对象
                .map(s -> s.length()) // map返回Stream<Integer>对象
                .filter(l -> l <= 3) // filter返回Stream<Integer>对象
                .max((o1, o2) -> o1 - o2); // max 终止操作：返回Option<Integer>
        System.out.println(result.get()); // 输出2
    }
}
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其次，再看下 Lambda 表达式

Java 引入 Lambda 表达式的主要作用是简化代码编写。实际上，我们也可以不用 Lambda 表达式来书写书中的例子。我们拿其中的 map 函数来举例说明下。

// Stream中map的定义：
public interface Stream<T> extends BaseStream<T, Stream<T>> {
    <R> Stream<R> map(Function<? super T, ? extends R> mapper);
    // 省略其他函数...
}

// Stream中map的使用方法：
Stream.of("fo", "far", "hello").map(new Function<String, Integer>() {
   @Override
    public Integer apply(String s) {
        return s.length();
    }
});

// 用Lambda表达式简化后的写法：
Stream.of("fo", "far", "hello").map(s -> s.length());
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Lambda 表达式语法不是学习的重点，这里只是稍微介绍下。

Lambda 表达式包含三部分：输入、函数体、输出。表示出来就是下面这个 样子：

(a, b) -> { 语句1; 语句2; ...; return 输出;} // a,b是输入参数
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实际上，Lambda 表达式的写法非常灵活。刚刚给出的是标准写法，还有很多简化写法。比如，如果输入参数只有一个，可以省略 ()，直接写成 a ->{...}；如果没有入参，可以直接将输入和箭头都省略只保留函数体；如果函数体只有一个语句，可以将 {} 省略掉; 如果函数没有返回值， return 语句就可以不用写了。

如果把之前的例子中的 Lambda 表达式，全部替换为函数接口的实现方式，就是下面这样子的。代码是不是多了很多？

Optional<Integer> result = Stream.of("f", "a", "hello")
        .map(s -> s.length())
        .filter(l -> l <= 3)
        .max((o1, o2) -> o1 - o2);

// 还原为函数接口的实现方式
Optional<Integer> result2 = Stream.of("fo", "far", "hello")
	.map(new Function<String, Integer>() {
	    @Override
	    public Integer apply(String s) {
	        return s.length();
	    }
	})
	.filter(new Predicate<Integer>() {
	    @Override
	    public boolean test(Integer integer) {
	        return integer <= 3;
	    }
	})
	.max(new Comparator<Integer>() {
	    @Override
	    public int compare(Integer o1, Integer o2) {
	        return o1 - o2;
	    }
	});
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最后，看下函数接口

实际上，上面一段代码中的 Function、Predicate、Comparator 都是函数接口。我们知道，C 语言支持函数指针，它可以把函数直接当变量来使用。但是，Java 没有函数指针这样的语法。所以，它通过接口函数，将函数包裹在接口中，当做变量来使用。

实际上，函数接口就是接口。不过，它有自己特别的地方，那就是要求只包含一个未实现的方法。因为，只有这样，Lambda 表达式才能明确知道匹配的是哪个接口。如果有两个为实现的方式，并且接口入参、返回值都一样，那 Java 在翻译 Lambda 表达式时，就不知道表达式对应哪个方法了。

我们把 Java 提供的 Function、Predicate 这两个函数接口的源码，摘抄过来贴到了下面，你可以看下。

@FunctionalInterface
public interface Function<T, R> {
    R apply(T t);

    default <V> Function<V, R> compose(Function<? super V, ? extends T> before) {
        Objects.requireNonNull(before);
        return (V v) -> apply(before.apply(v));
    }

    default <V> Function<T, V> andThen(Function<? super R, ? extends V> after) {
        Objects.requireNonNull(after);
        return (T t) -> after.apply(apply(t));
    }

    static <T> Function<T, T> identity() {
        return t -> t;
    }
}

@FunctionalInterface
public interface Predicate<T> {
    boolean test(T t);

    default Predicate<T> and(Predicate<? super T> other) {
        Objects.requireNonNull(other);
        return (t) -> test(t) && other.test(t);
    }

    default Predicate<T> negate() {
        return (t) -> !test(t);
    }
    
    default Predicate<T> or(Predicate<? super T> other) {
        Objects.requireNonNull(other);
        return (t) -> test(t) || other.test(t);
    }

    static <T> Predicate<T> isEqual(Object targetRef) {
        return (null == targetRef)
                ? Objects::isNull
                : object -> targetRef.equals(object);
    }
}
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以上讲的就是 Java 对函数式编程的语法支持。

Guava 对函数式编程的增强

如果你是 Google Guava 的设计者，对于 Java 函数式编程，Google Guava 还能做些什么呢？

Google Guava 并没有提供太多函数式编程的支持，仅封装了几个遍历集合操作的接口，代码如下所示：

Iterables.transform(Iterable, Function);
Iterables.transform(Iterator, Function);
Collections.transform(Collection, Function);
List.transform(List, Function);
Maps.transform(Map, Function);
Multimaps.transform(Multimap, Function);
...

Iterables.filter(Iterable, Predicate);
Iterators.filter(Iterable, Predicate);
Collections2.filter(Collection, Predicate);
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从 Google 的 Wiki 中，我们发现，Google 对于函数式编程的使用还是很谨慎的，认为过度使用函数式编程，会导致代码的可读性变差，强调不滥用。所以，在函数式编程方面，Google Guava 并没有提供太多的支持。

之所以对遍历集合操作做了优化，主要是因为函数式编程一个重要的应用场景就是遍历集合。如果不适用函数式编程，我们只能 for 循环，一个一个的处理集合中的属性。使用函数式编程，可以大大简化遍历集合操作的代码编写，一行代码就能搞定，而且在可读性方面也没有太大的损失。

总结

本章，讲了一下三大编程范式中的最后一个，函数式编程。尽管越来越多的编程语言开始支持函数式编程，但我个人觉得，它只能是其他编程语范式的补充，用在一些特殊的领域发挥它的特殊作用，没法完全替代面向对象、面向过程编程范式。

关于什么是函数式编程，实际上不是很好理解。函数式编程中的 “函数”，并不是只我们编程语言中的 “函数” 概念，而是数学中的 “函数” 或者 “表达式” 概念。函数式编程认为，程序可以用一系列数学函数或者表达式的组合来表示。

具体到编程实现，函数式编程以无状态函数作为组织代码的单元。函数的执行结果只与入参有关，跟其他任何外部变量无关。同样的入参，不管怎么执行，得到的结果都是一样的。

具体到 Java 语言，它提供了三个语法机制来支持函数式编程。它们分别是 Stream 类、Lambda 表达式和函数接口。Google Guava 对函数式编程的一个重要应用场景，遍历集合，做了优化，但并没有太多的支持，并且强调，不要为了节省代码行数，滥用函数式编程，导致代码可读性变差。